Aufgabe 1 - Teilaufgabe 2: Der Photoeffekt · Abitur NRW Physik GK · Haupttermin 2023

a) • Erklären Sie, warum in dem Experiment ein elektrischer Strom auftritt.

Lösung: Aus der Zinkplatte werden durch den Photoeffekt Elektronen herausgelöst, die sich in dem durch die angelegte Gleichspannung hervorgerufenen elektrischen Feld zur Anode bewegen. Diese bewegten Elektronen stellen einen elektrischen Strom dar, der von dem Stromstärkemessgerät registriert wird.

a) • Erklären Sie, warum die gemessene elektrische Stromstärke zunimmt.

Lösung: Durch das Heranschieben der Quecksilberdampflampe erhöht sich die Intensität des auf der Zinkplatte auftreffenden Lichts. Folglich werden pro Zeiteinheit mehr Elektronen aus dieser herausgelöst. Dies hat eine höhere elektrische Stromstärke zur Folge.

a) • Interpretieren Sie dieses Messergebnis.

Lösung: Für das Einsetzen des Photoeffekts ist Licht einer hinreichend kleinen Wellenlänge nötig. Der kurzwellige Anteil des Spektrums der Quecksilberdampflampe wird durch die Glasplatte demnach absorbiert.

b) Erläutern Sie die Gleichung $E = h \cdot f$ vor dem Hintergrund der Lichtquantenhypothese.

Lösung: Der Energieaustausch von Licht mit Materie beim Photoeffekt ist quantisiert, er erfolgt in Form von Photonen. Ein einzelnes Elektron absorbiert dabei ein einzelnes Photon, wobei die von der Frequenz des Lichts abhängige Energie $E = h\cdot f$ übertragen wird.

c) • Geben Sie die Spektrallinie an, deren Photonen die höchste Energie haben.

Lösung: P

c) • Berechnen Sie für Zink die Grenzwellenlänge $\lambda_\mathrm{max}$.

Lösung: $286$ nm / $2{,}86\cdot 10^{-7}$ m

c) • Zeigen Sie rechnerisch, dass Quecksilber mindestens eine Spektrallinie mit einer Wellenlänge $\lambda < 200\text{ nm}$ besitzen muss.

Lösung: Da in dem angegebenen Wellenlängenintervall keine Spektrallinie mit $\lambda \le 286\text{ nm}$ sichtbar ist, muss es eine Spektrallinie mit $\lambda < 200\text{ nm}$ geben.

d) • Zeichnen Sie die elektrische Schaltung der Photozelle in Abbildung 7 ein (Spannungsquelle, Spannungsmessgerät und Stromstärkemessgerät).

Lösung: Schaltbild der Photozelle mit Gegenfeldmethode: Amperemeter in Reihe zur Anode/Photokathode, regelbare Spannungsquelle polrichtig zur Gegenspannung gepolt und Voltmeter parallel zur Spannungsquelle geschaltet.

d) • Begründen Sie, dass Lichtquelle A Licht mit kleinerer Wellenlänge $\lambda$ aussendet.

Lösung: Der kleinste Wert der Gegenspannung $U_\mathrm{G}$, bei der $I_\mathrm{Ph} = 0$ ist, ist ein Maß für die maximale kinetische Energie $E_\mathrm{kin,max}$ der aus der Kathode herausgelösten Elektronen. Bei Verwendung der Lichtquelle A ist $E_\mathrm{kin,max}$ folglich größer. Die von einem Photon auf ein Elektron beim Photoeffekt übertragene Energie $E$ ist bei der Lichtquelle A daher ebenfalls größer. Mit $\lambda = h\cdot \frac{c}{E}$ folgt, dass die Wellenlänge $\lambda$ bei Lichtquelle A kleiner ist.

d) • Entscheiden Sie begründet, bei welcher Lichtquelle ein größerer Anteil der Photonen Elektronen aus der Kathode freisetzt.

Lösung: Da die pro Sekunde emittierte Strahlungsenergie laut Angabe bei beiden Lichtquellen gleich ist, werden bei der Lichtquelle A aufgrund der kleineren Wellenlänge $\lambda$ weniger Photonen pro Sekunde emittiert. Da der Photostrom bei $U_\mathrm{G} = 0$ jedoch bei beiden Lichtquellen gleich ist, ist der Anteil der Photonen, die ein Elektron herauslösen, bei Lichtquelle A größer.